PH值和堿度對生物硝化的影響

◎朱國普

引言：隨著經濟不斷發展，促進我國工業化程度提高，但同時也導致含氮化合物排放量日益增加，導致水體富營養化問題愈加嚴重化，“赤潮”現象在各地區海域中高頻率出現，對我國漁業、旅游業等相關行業發展帶來極大危害影響。因此，國家逐漸開始重視防治廢水氮素污染，其中生物脫氮法是目前廢水處理過程中廣泛應用的技術手段之一，硝化作為廢水生物脫氮工藝流程關鍵環節，無論新舊硝化-反硝化工藝均需要硝化反應支持。不同PH值對生物硝化工藝應用效果均有不同的影響，主要包括硝化速度、轉化效率等，也會間接影響硝化反應系統穩定運行。在明確pH值和堿度對生物硝化產生影響的前提下，如何采取相應措施控制極易大幅度波動的pH值，是目前各相關人員需要考慮的問題。

一、pH值對生物硝化的影響

1.pH值影響硝化細菌生長與代謝。

生物硝化效果與硝化細菌生長和代謝有著十分密切的關系，硝化細菌保持良好的活性與合適的數量，能夠有效保障硝化作用強度。通過對此方面相關文獻數據調研，當達到一定環境條件下的pH值，在某種程度上硝化細菌的活性會受到抑制影響，難以確保硝化細菌正常生長與代謝；各項數據顯示，當pH值在7.0-8.5范圍區間內，是適合亞硝酸細菌生長最佳環境條件，適合硝酸細菌生長最佳生長環境條件則是在6.0-7.5的pH值范圍區間內。從整體上看，相較于硝酸細菌，在適宜pH值、生長速率以及細胞產出率等方面，亞硝酸細菌的工作性質均高于后者。

亞硝酸細菌與硝酸細菌所需能源均由氨和亞硝酸鹽提供，當發生氮氧化反應與亞硝酸鹽氧化反應時，可以根據氧化反應情況來判斷是否是亞硝酸細菌與硝酸細菌，在合適的pH值環境中，亞硝酸細菌的氨氧化速率明顯高于硝酸細菌，說明硝化細菌活性也高于硝酸細菌。

氨以離子形態或者以游離的狀態在水溶液中出現，氨離子形態會抑制亞硝酸細菌生長及代謝，而游離狀態的氨則是亞硝酸細菌真正基質。高濃度游離氨，會對亞硝酸細菌的生長及代謝產生抑制影響，當濃度值達到40mgN／L時，抑制影響直接發生。與此同時，游離氨也會對硝酸細菌的生長及代謝產生一定抑制影響，當濃度值達到0.6mgN／L時，氨對硝酸細菌的抑制影響明顯低于前者。

亞硝酸細菌代謝后，則會生成游離亞硝酸，為硝酸細菌的生長提供基質，反過來當濃度值達到0.6mgN／L時，游離亞硝酸將抑制亞硝酸細菌生長及代謝；當濃度值達到2.8mgN／L時，相較于游離亞硝酸對亞硝酸細菌抑制的敏感性，硝酸細菌明顯高于前者。

導致pH值下降的成因主要涉及兩個方面：一是進水堿度未達到工藝標準要求；二是進水碳源不足支撐生物硝化反應，無法對生物硝化所消耗的堿度進行補充。當廢水中堿度不足時候，再加上受到高TKN負荷影響，使得廢水中原有堿度內全部耗盡，促使溶液中pH值下降，進而制約生物硝化速率。當廢水中無強酸排進時，此時廢水更加偏向堿性，所顯示的pH值普遍高于7.0，廢水中堿度大小直接關系著pH值。因此，在生物硝化反應系統中，必須對pH值進行合理調控，適宜的pH值，更加有利于生物硝化系統運行效能產出。另外，當pH值高于既定限值時，則表示需要增加廢水中堿度，確保生物硝化反應效果。

2.pH值影響硝化基質及產出物質形態。

上述提到，游離氨即會抑制亞硝酸細菌的生長及代謝，同時也為亞硝酸細菌生長及代謝提供基質。環境溫度達到20度時，游離氨占總氨濃度比例分析參考圖1。

圖1 環境溫度達到20度時，游離氨占總氨濃度比例分析

從圖1所顯示的信息來看，當環境溫度達到20度時，游離氨占據總氨濃度較大比例，呈急劇增大趨勢；若總氨濃度在此環境中較低，可對pH值進行增大調整，以此來達到將基質有效性進行增強目的；若總氨濃度在此環境中過高，在增大pH值影響下，容易引發氨毒，這一點情況是操作生物硝化反應系統時，需要給予高度關注的問題。

游離亞硝酸為硝酸細菌生長及代謝提供基質，同時也會抑制亞硝酸細菌與硝酸細菌的生長及代謝。當環境溫度達到20度，低于6.0的pH值，游離亞硝酸占據總氨濃度比例呈快速上升趨勢，若總氨濃度在此環境中較低，可對pH值進行降低調整，以此來達到將基質有效性進行增強目的；若總氨濃度在此環境中過高，則需要控制pH值，提升至6.5以上，有利于避免游離亞硝酸誘發氨毒。

3.pH值影響生物硝化反應系統效能。

通過對現有研究數據調研與分析，不同pH值對生物硝化反應系統的產出效能也有著不同程度上的影響。開展過兩段SBR硝化試驗過程中，發現在亞硝化第一階段，當pH值達到6.8左右，此時亞硝化速率達到最大值；當pH值提升至7.5左右，此時亞硝化速率接近最低限值。因操作條件差異，不同亞消化階段的pH值也各不相同，其中二、三亞硝化階段的pH值試驗顯示最高。當pH值重新降至原有數值，亞硝化速率呈緩速下降趨勢。

短程硝化工藝是較早出現的一種生物脫氮技術手段，此項工藝實際應用過程中，能夠有效激發亞硝酸細菌活性，并同時對硝酸細菌的生長及代謝進行抑制，該硝化-反硝化反應是短程硝化工藝明顯特征，也是工藝流程核心，對pH值進行合理控制，更加有利于發揮短程硝化工藝實際效能。7.5-8.5的pH值是短程硝化效應最佳條件，當pH值過高時，其游離氨濃度也相對較高，亞硝酸細菌所需基質要求能夠充分滿足；若游離亞硝酸濃度降低時，可通過調整pH值，達到制約硝酸細菌所需基質的效果。

二、堿度對生物硝化的影響

1.堿度。

堿度在水溶液中起到中和pH 值的作用，對水溶液中的堿度進行測定時，通常情況下，會選用標準強酸來中和水樣中的pH值，基于標準強酸實際消耗量，完成對應堿度計算。其中C032-、NH3、HS-以及H2PO4等均屬于廢水中較為常見的堿度種類，按照性質來劃分，堿度被劃分為三種類型，分別是苛性堿度、碳酸鹽堿度和總堿度。各項數據中所提及到廢水堿度，均指總堿度。

2.碳酸鹽堿度。

6.5 -8.5范圍區間的pH是大部分生物硝化系統中較高頻率調控的數值，此環境條件下，pH在溶液中，主要被溶解的碳酸鹽類加以控制，如二氧化碳、碳酸鹽。

在實際測定過程中，針對H2CO3的測定存在一定阻礙，雖然CO2被溶解，但只有小部分被溶解轉化成H2CO3，基于此，可將被溶解的CO2與H2CO3所顯示的濃度值結合在一起，進而獲得一個近似的電離常數。

在常溫環境條件下，pH不同，碳酸鹽類分布也有著一定差異性，經常以重碳酸鹽形態出現在廢水生物硝化工藝流程中[4]。

3.碳酸鹽堿度緩沖特性影響生物硝化。

碳酸鹽類不僅能夠起到中和酸堿度的作用，在溶解過程中，也會產生不同等級的緩沖強度。將一定量溶液的pH值轉化成某單位所需氫離子，即為緩沖強度。

因pH范圍不同，所呈現的鹽酸鹽類緩沖強度等級也有所不同，當pH值達到3.8或8.3時，此時鹽酸鹽類緩沖強度處于最低等級，一個pH單位消耗堿度的改變，比其他pH范圍內的堿度消耗量相對較小。由于6.5-8.5范圍區間的pH值是生物硝化反應最佳條件，此pH范圍內的碳酸鹽類所呈現的緩沖強度等級較低，進而導致生物硝化過程中產生大幅度pH波動變化。

三、提升生物硝化效果的有效建議

1.做好源頭預處理。

通常情況下，必須要保證廢水終端排放口部位的氨氮符合國家規定標準，才能進行排放，生物硝化工藝屬于系統性流程，預處理含氨氮量較高的廢水，以此來提升硝化容積負荷，達到提升廢水處理效果及降低成本費用目的。

2.結合水質特性明確對應硝化工藝。

廢水處理工作中的生物硝化，建立于廢水二級生化處理，無特殊要求前提下，無論是哪一種類型生物處理系統均可滿足生物硝化作用要求。如果想進一步提升生物硝化效果，在實際操作過程中，盡可能結合被處理水質特性明確對應生物硝化工藝，更加有利于獲得高效且穩定的生物硝化效果。

廢水水質成分對生物硝化反應器中的生物群落有著極大地影響，不同范圍的pH值，均會抑制硝化細菌生長與代謝，硝化細菌比例變化過大，則會降低對硝化細菌的抑制作用，硝化細菌活性受到影響。合適的生物硝化工藝，有助于更好地調控pH值，既能滿足硝化細菌所需基質要求，又能抑制硝化細菌生長與代謝，消除抑制生物硝化作用的有毒物質，以此來增加硝化負荷，增強生物硝化效果。

3.精準把控pH值。

若想實現生物硝化反應達到最大產出速率，且不影響生物硝化反應高效、穩定進行，在實際操作過程中，必須精準把控pH值，如何將pH值控制在6.5-8.5范圍區間尤為關鍵，是操作過程中需要給予高度關注的問題。處理含氮量高的廢水時，其中pH值呈急速下降趨勢，此過程中高精度加堿操作以及合理調控pH值，更加有助于保證生物硝化反應順利進行。此類型廢水處理，對堿的消耗量極大，是導致生物硝化工藝運行成本增加的主要因素，經濟性較低。基于此，需要將硝化與反硝化反應有機結合，在此基礎上形成生物脫氮核心工藝，利用反硝化反應過程中產生的大量堿，來補足硝化反應過程中對應堿消耗量，有效降低成本費用同時，又能起到預防水體局部pH值升高的作用。

上述提及到硝化細菌對pH有著較高的敏感性，適宜的pH值條件，能夠保證硝化細菌良好活性，一旦pH值高于或低于既定限制，硝化細菌的活性將會被抑制，此時生物硝化反應逐漸停止。針對實際運行過程中的生物硝化系統，盡可能加強對pH值的精準調控，以保持良好的硝化速率為核心，時刻觀察硝化速率變化與pH值變化，當pH值低于6.5時，需要立即進行加堿操作。精準投加堿是維持pH值有效途徑，導致pH值降低的成因包括多個方面，需要相關人員根據實際情況進行具體分析，生物硝化系統崩潰，及時調控pH值，并適量投加堿量，盡快恢復生物硝化系統運行。

四、其他影響生物硝化作用的因素

其他影響生物硝化作用的因素，還包括以下幾點內容：

1.污泥負荷與泥齡。從工藝技術角度上分析，生物硝化工藝具有低負荷性，生物硝化反應越好，說明污泥負荷越低，轉換效率同樣也能得到提升。大部分生物硝化系統中的泥齡普遍較長，與硝化細菌的生長與代謝速率相關，硝化細菌生長與代謝受到抑制，將會直接影響生物硝化效果，因此需要控制泥齡，而溫度等外界因素關系著泥齡控制。若想獲得高效且穩定的生物硝化效果，需要將污泥齡控制在半個月以上。

2.溶解氧。一般情況下，在應用生物硝化工藝時，對溶解氧的含量控制有著明確要求，當溶解氧低于2.0mg/L時，此時生物硝化作用將會受到抑制影響；當溶解氧低于1.0mg/L時，此時生物硝化作用將被完全抑制，或停止硝化反應。高濃度溶解氧維持是生物硝化系統運行時，需要額外關注的情況。硝化細菌屬于好氧菌，低濃度溶解氧則會降低硝化細菌活性；相較于有機物細菌，硝化細菌對溶解氧的需求遠低于前者，但氧量無法充足供應，失去氧量供應的硝化細菌其活性降低，將不能支持生物硝化反應。因此，需要根據廢水處理需要，控制生物硝化系統實際供氧量，合理設置溶解氧濃度，確保生物硝化反應順利進行。

3.有毒物質與溫度。部分重金屬離子與有機物質屬于有毒性物質，則會對生物硝化反應中的硝化細菌生長與代謝進行破壞；當廢水中有毒物質濃度含量過高，則會對生物硝化作用產生抑制影響。以鉛離子為例，當鉛離子濃度高于0.5mg/L時，抑制生物硝化過程，進而降低生物硝化效果，無法達到預期工藝投入使用目的。

因硝化細菌對溫度變化有著較高敏感性，當環境溫度維持在10-30度范圍內，此時硝化細菌可以正常生長與代謝，當環境溫度持續急速升高時，則會激發硝化細菌活性，呈逐漸增大趨勢；當環境溫度低于10度以下時，硝化細菌將無法正常生長與代謝。

由此說明，有毒物質與溫度對生物硝化作用的影響較為突出，特別是針對硝化細菌正常生理代謝的抑制影響，因此，在實際操作過程中，需要提升對有毒物質與溫度控制的重視程度，降低此方面因素對生物硝化效果的負面影響。

結束語：綜上所述，通過分析與研究pH值對生物硝化的影響，發現pH值不同，將會對亞硝酸細菌與硝酸細菌的生長及代謝產生不同程度上的抑制影響，達到某種條件時，硝化基質及產出物質則會存在一定毒性，繼而對生物硝化反應系統效能形成制約。碳酸鹽類物質構成影響溶液堿度，當對6.5-8.5范圍內的pH值進行調整與控制，將會直接影響碳酸鹽類緩沖強度，此范圍區間內pH值條件下的碳酸鹽類，其緩沖強度明顯下降，使得在生物硝化過程中，極易誘發大幅度pH值波動。在實際操作時，應額外關注pH值和堿度對生物硝化的影響，保證硝化效果。